一种压电材料及其制备方法技术

本申请公开了一种铁电压电材料及其制备方法，所述铁电压电材料选自具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料中的至少一种；所述缺陷极化方向与钙钛矿型晶体材料自发极化的方向一致。通过在材料中引入稳定自发极化或稳定有序畴排列的因子，即在电场极化铁电压电材料后，提供稳定极化方向的一种驱动力和极化向无序转变的一种回复力，解决了压电性能温度稳定性差的问题，提高了压电材料压电性能的温度稳定性。

A piezoelectric material and its preparation method

The present invention discloses a ferroelectric and electrical material and a preparation method thereof. The ferroelectric and voltage material is selected from at least one of perovskite type crystal material with point defect, and the defect polarization direction is consistent with the direction of spontaneous polarization of perovskite type crystal material. By introducing the stability in the material of spontaneous polarization or factor stable and orderly arrangement of domains, namely in the electric field polarization ferroelectric and piezoelectric materials, to provide a stable polarization direction of a driving force and a restoring force to the polarization disorder transformation, to solve the problem of pressure electric performance poor temperature stability, improve the temperature stability of piezoelectric materials the piezoelectric properties.

【技术实现步骤摘要】
一种压电材料及其制备方法
本申请涉及压电材料，特别涉及其压电性能具有高温度稳定性的铁电压电材料及相关的制造方法。
技术介绍
钙钛矿铁电材料是一类重要的功能材料，广泛应用于传感器、制动器、驱动器、执行器等压电器件领域。近年来，随着我国在能源、航空航天、电子信息等领域的发展，对高温下稳定、可靠的压电元器件需求日益迫切，需要压电器件能稳定运行，压电材料有良好的温度稳定性。目前广泛使用的是ABO3型的单相或复合钙钛矿结构的铁电压电材料。这些材料具有优异的压电性能，但另一方面由于材料的压电性能强烈的依赖于温度，随着使用温度的提高存在严重的退极化，导致压电性能降低，温度稳定性差，从而影响器件的稳定性。例如对于Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)基的压电材料而言，其使用温度基本都在居里温度的一半以下，严重的限制了其的应用。研究表明造成铁电压电材料的压电性能温度稳定性差的主要原因是材料在低温用电场极化处理后，其极化随着温度的升高，本来在低温极化后有序排列的电畴向无序化转变而造成退极化，因而引起压电性能在远低于铁电材料居里温度时大大减弱甚至消失，使得铁电压电材料的实际使用温度远远低于居里温度。
技术实现思路
为解决上述铁电压电材料的热稳定性问题，本申请的专利技术人对于压电材料压电性能的温度稳定性进行了深入研究，通过在材料中引入稳定自发极化或稳定有序畴排列的因子，即在电场极化后的铁电压电材料，提供稳定极化方向的一种驱动力和极化向无序转变的一种回复力，解决了压电性能温度稳定性差的问题，提高了压电材料压电性能的温度稳定性。根据本申请的一个方面，提供一种铁电压电材料，其特征在于，所述铁电压电材料选自具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料中的至少一种；所述缺陷极化方向与钙钛矿型晶体材料自发极化的方向一致。其中，所述“缺陷极化方向与钙钛矿型晶体材料自发极化的方向一致”指铁电压电材料中所有缺陷极化和钙钛矿型晶体材料中所有自发极化均向着相同的方向，呈一致性。即，不仅在一个钙钛矿晶胞内，缺陷极化方向与晶体本身的极化方向一致，并且所有晶胞的极化方向(连同缺陷极化方向)均一致，呈高度有序性排列。具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料中的点缺陷产生的方法主要有：(1)在制备过程中存在元素的变价、挥发等行为，为了电价平衡而出现点缺陷，例如氧空位等；(2)通过向ABO3型钙钛矿的A位或B位添加摻杂离子，从而引入点缺陷，例如各种空位。优选地，所述具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料的化学式为：A(BxMy)O3；其中，x＝0.7～1，y＝0～0.3且x+y＝1；A选自Ba和/或Pb；B选自Zr、Ti、Mg、Zn、Ni、Sc、Yb、Y、Lu、Ho、In、Ta、W中的至少一种；M为掺杂元素，选自Sn、Mn、Fe中的至少一种；B和M占据相同的晶体学位置。A(BxMy)O3由掺杂元素M向ABO3中掺杂元素M得到，掺杂元素部分替代钙钛矿型晶体材料ABO3中B的位置。作为一种实施方式，所述ABO3中是BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3或Pb(B1,B2)O3；其中B1选自Mg、Zn、Ni、Sc、Yb、Y、Lu、Ho、In中的至少一种；B2选自Nb、Ta、W中的至少一种。优选地，所述具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料的结构为三方晶系和/或四方晶系。所述铁电压电材料包括但不限于单晶材料、多晶材料、陶瓷或膜。所述铁电压电材料的使用温度最高可达居里温度。根据本申请的又一个方面，提供上述铁电压电材料的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：a)得到具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料；b)通过外加电场的方法，使缺陷极化方向与钙钛矿晶体材料的极化方向一致。所述缺陷极化方向与钙钛矿晶体材料的极化方向呈高度有序排列。优选地，步骤a)具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料通过在合成钙钛矿型晶体材料的过程中加入掺杂元素，得到点缺陷。在铁电压电材料中通过电价的不平衡来引入点缺陷，引起电价不平衡的异价离子和氧空位之间形成的缺陷极化和由压电材料相结构的对称性决定的自发极化方向一致排列。在居里温度以上或以下，通过外加手段，可以是电场或其它手段，来实现缺陷极化的有序排列，从而获得稳定自发极化的驱动力和回复力，进而来实现压电性能的高温度稳定性。使缺陷极化的有序排列可以使施加外场，也可以是自极化。优选地，所述在合成钙钛矿型晶体材料的过程中加入掺杂元素采用高温熔融法，包括以下步骤：(1)将A的氧化物、B的氧化物、掺杂元素M的氧化物和助剂混合均匀，得到初始混合物；(2)将步骤(1)所得初始混合物置于900～1200℃熔融后，以0.1～20℃/天的速率降温，得到具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料。优选地，步骤(1)中A选自Ba和/或Pb；B选自Zr、Ti、Mg、Zn、Ni、Fe、Sc、Yb、Y、Lu、Ho、In、Ta、W中的至少一种；掺杂元素M选自Sn、Mn、Fe中的至少一种。优选地，所述步骤(1)中，A的氧化物、B的氧化物、掺杂元素M的氧化物的摩尔比为：A:B:M＝1:0.7～1:0～0.3。进一步优选地，所述步骤(1)中，A的氧化物、B的氧化物、掺杂元素M的氧化物的摩尔比为：A:B:M＝1:0.7～0.95:0.05～0.3。更进一步优选地，所述步骤(1)中，A的氧化物、B的氧化物、掺杂元素M的氧化物的摩尔比为：A:B:M＝1:0.8～0.95:0.05～0.2。优选地，所述步骤(1)中A是Pb；B是Mg、Nb和Ti的混合物；掺杂元素M是Sn、Sn与Mn和/或Fe的混合物。优选地，B中Mg、Nb和Ti的摩尔比为：Mg：Nb：Ti＝1：2：1～3；掺杂元素M中Sn、Mn、Fe的摩尔比为：Sn：Mn：Fe＝0.5～2：0～1：0～1。优选地，所述助剂为A的氧化合物与H3BO3和/或B2O3组成的混合物。进一步优选地，所述A的氧化物为PbO和/或Pb3O4。所述步骤b)既可以在居里温度以下进行，也可以在居里温度以上进行。优选地，步骤b)中所述外加电场是在居里温度以上，电场为直流电场，电场强度为矫顽场的1～3倍，并保持电场将温度降到室温。优选地，所述步骤b)是将具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料置于100～200℃的硅油中，施加3～10kV/cm的电场30min,并保持降温，使钙钛矿晶体材料的极化方向高度一致排列。进一步优选地，所述步骤b)是将具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料置于200～600℃的硅油中，施加2～6kV/cm的电场不少于30min，并保持降温，以不超过60℃/h的速率将体系温度降至室温后，静置不少于5天，即得到所述铁电压电材料。本申请中，点缺陷包括空位缺陷、自间隙缺陷、异类间隙缺陷、置换缺陷、自由电子及电子空穴缺陷、带电缺陷中的至少一种。空位缺陷指晶体内部的原子或离子离开其平衡位置后，产生的缺陷。自间隙缺陷指由晶体本身的原子或离子处于间隙位置上形成缺陷。异类间隙缺陷指由形成晶体以外的其他元素的原子或离子处于间隙位置上形成缺陷。置换缺陷指掺杂原子或离子占据原来晶体中某些原来原子或离子的平衡位置的所形成的缺陷。带电缺陷指由于电价不平衡引起的缺陷，如+2价的掺杂原子占据了某些+1价离子的位置。本申请的有益效果包括但不限于：通过采用外加电场的方法，使缺陷极化方向与钙钛矿晶体材料的极化方向一致，并高度有序排列，解决了压电性能温度稳定性差的问题，提高了压电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁电压电材料，其特征在于，所述铁电压电材料选自具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料中的至少一种；所述钙钛矿型晶体材料中缺陷极化方向与钙钛矿型晶体材料自发极化的方向一致。

【技术特征摘要】
1.一种铁电压电材料，其特征在于，所述铁电压电材料选自具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料中的至少一种；所述钙钛矿型晶体材料中缺陷极化方向与钙钛矿型晶体材料自发极化的方向一致。2.根据权利要求1所述的铁电压电材料，其特征在于，所述具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料的化学式为：A(BxMy)O3；其中，x＝0.7～1，y＝0～0.3且x+y＝1；A选自Ba和/或Pb；B选自Zr、Ti、Mg、Zn、Ni、Sc、Yb、Y、Lu、Ho、In、Ta、W中的至少一种；M为掺杂元素，选自Sn、Mn、Fe中的至少一种；B和M占据相同的晶体学位置。3.权利要求1或2所述铁电压电材料的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：a)得到具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料；b)通过外加电场的方法，使缺陷极化方向与钙钛矿晶体材料的极化方向一致。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤a)具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料通过在合成钙钛矿型晶体材料的过程中加入掺杂元素，得到点缺陷。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述在合成钙钛矿型晶体材料的过程中加入掺杂元素采用高温熔融法，包括以下步骤：(1)将A的氧化物、B的氧化物、掺杂元素M的氧化物和助剂混合均匀，得到初始混合物；其中，A选...

【专利技术属性】
技术研发人员：何超，龙西法，李修芝，王祖建，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：福建,35